Los científicos han creado el primer motor eléctrico a nanoescala funcional del mundo, según una investigación publicada en la revista Nanotecnología de la naturaleza. El equipo científico diseñó una turbina diseñada a partir de ADN que funciona mediante un flujo hidrodinámico dentro de un nanoporo, un agujero de tamaño nanométrico en una membrana de nitruro de silicio en estado sólido.
El pequeño motor podría ayudar a impulsar la investigación sobre aplicaciones futuras, como la construcción de fábricas moleculares de sustancias químicas útiles o sondas médicas de moléculas dentro del torrente sanguíneo para detectar enfermedades como el cáncer.
«Las máquinas macroscópicas comunes se vuelven ineficientes en la nanoescala», dijo el coautor del estudio, el profesor Aleksei Aksimentiev, profesor de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champagne. «Tenemos que desarrollar nuevos principios y mecanismos físicos para realizar motores eléctricos a escalas muy, muy pequeñas».
El trabajo experimental sobre el pequeño motor fue realizado por Cees Dekker de la Universidad Tecnológica de Delft y Hendrik Dietz de la Universidad Técnica de Munich.
Dietz es un experto mundial en origami de ADN. Su laboratorio manipuló moléculas de ADN para fabricar la pequeña turbina del motor, que constaba de 30 hélices de ADN bicatenario diseñadas en un eje y tres palas de aproximadamente 72 pares de bases de longitud. El trabajo de laboratorio de Decker demostró que la turbina puede girar aplicando un campo eléctrico. El laboratorio de Aksimentiev llevó a cabo simulaciones de dinámica molecular de todos los átomos en un sistema de cinco millones de átomos para caracterizar los fenómenos físicos de cómo funciona el motor.
El sistema era la representación más pequeña que podía arrojar resultados significativos sobre el experimento; sin embargo, «fue uno de los más grandes jamás simulados desde la perspectiva del origami de ADN», dijo Aksimentiev.
Misión imposible a misión posible
El Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) otorgó a Aksimentiev una Asignación de Recursos de Liderazgo para ayudarlo en su estudio de sistemas biológicos de mesoescala en Frontera, la supercomputadora académica más importante de los EE. UU., financiada por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).
«Frontera jugó un papel decisivo en este trabajo con nanoturbinas de ADN», dijo Aksimentiev. «Obtuvimos trayectorias de simulación de microsegundos en dos o tres semanas en lugar de esperar un año o más en sistemas informáticos más pequeños. Las grandes simulaciones se realizaron en Frontera utilizando aproximadamente una cuarta parte de la máquina: más de 2.000 nodos», dijo Aksimentiev. «Sin embargo, no se trata sólo del hardware, sino también de la interacción con el personal de TACC. Es extremadamente importante hacer el mejor uso de los recursos una vez que tengamos la oportunidad».
Aksimentiev también recibió asignaciones de supercomputadoras para este trabajo por parte del Ecosistema de Coordinación de Infraestructura Cibernética Avanzada: Servicios y Soporte (ACCESS), financiado por NSF, en la extensión del Centro de Supercomputación de San Diego y Anvil de la Universidad Purdue.
«Teníamos que simular hasta 100 sistemas de nanomotores diferentes. Tuvimos que ejecutarlos en diferentes condiciones y de forma rápida, lo que los superordenadores ACCESS ayudaron perfectamente», dijo Aksimentiev. «Muchas gracias a la NSF por su apoyo; no podríamos hacer la ciencia que hacemos sin estos sistemas».
El ADN como componente básico
El éxito de la nanoturbina de ADN en funcionamiento se basa en un estudio previo que también utilizó las supercomputadoras Frontera y ACCESS. El estudio demostró que una sola hélice de ADN es el motor eléctrico más pequeño que se puede construir: puede girar hasta mil millones de revoluciones por minuto.
Según Aksimentiev, el ADN se ha convertido en un material de construcción a escala nanométrica.
«La forma en que el par de bases del ADN es una herramienta de programación muy poderosa. Podemos programar objetos geométricos tridimensionales a partir del ADN usando el software Cadnano simplemente programando la secuencia de letras que forman los peldaños de la doble hélice», explicó.
Otra razón para utilizar el ADN como componente básico es que lleva una carga negativa, una característica esencial para fabricar el electromotor.
«Queríamos reproducir una de las máquinas biológicas más espectaculares: la ATP sintasa, que funciona mediante un campo eléctrico. Elegimos hacer nuestro motor con ADN», dijo Aksimentiev.
«Este nuevo trabajo es el primer motor a nanoescala en el que podemos controlar la velocidad y dirección de rotación», añadió. Se hace ajustando el campo eléctrico a través de la membrana de nanoporos de estado sólido y las concentraciones de sal del fluido que rodea el rotor.
«En el futuro, podríamos sintetizar una molécula usando el nuevo motor eléctrico a nanoescala, o podemos usarlo como elemento de una fábrica molecular más grande, donde se mueven las cosas. O podríamos imaginarlo como un vehículo para la producción de energía suave. propulsión, donde los sistemas sintéticos pueden entrar en el torrente sanguíneo y sondear moléculas o células una por una», dijo Aksimentiev.
Si crees que esto suena como algo sacado de una película de ciencia ficción de los años 60, estás en lo cierto. En la película Viaje fantástico, un equipo de estadounidenses en un submarino nuclear es reducido e inyectado en el cuerpo de un científico para reparar un coágulo de sangre y necesita trabajar rápidamente antes de que desaparezca la miniaturización.
Por muy descabellado que parezca, Aksimentiev dice que el concepto y los elementos de las máquinas que estamos desarrollando hoy podrían permitir que algo como esto suceda.
«Pudimos lograr esto gracias a las supercomputadoras», dijo Aksimentiev. «Las supercomputadoras se están volviendo cada vez más indispensables a medida que aumenta la complejidad de los sistemas que construimos. Son los microscopios computacionales, que en resoluciones máximas pueden ver el movimiento de átomos individuales y cómo se acoplan a un sistema más grande».
La financiación provino de la ERC Advanced Grant no. 883684 y los programas NanoFront y BaSyC; ERC Consolidator Grant a HD (GA no. 724261), Deutsche Forschungsgemeinschaft a través del programa Gottfried-Wilhelm-Leibniz (a HD) y el proyecto SFB863 ID 111166240 TPA9; Subvención de la Fundación Nacional de Ciencias DMR-1827346; la Escuela Max Planck Matter to Life y el Consorcio MaxSynBio. El tiempo de supercomputadora se proporcionó a través de la asignación de recursos de liderazgo de TACC MCB20012 en Frontera y a través de la asignación de ACCESS MCA05S028.
